신기술
 

GIST, 염색폐수처리에 특화된 나노여과 분리막 제작
  (김인수 교수 연구팀)                                                                                              

전기분무 시간에 따라 비대칭막의 조밀층인 분리막 활성층 두께 조절
초고투과성 갖춘 동시에 염료 99% 이상 제거…93% 무기염 투과율 보여 

광주과학기술원(총장 김기선, 이하 GIST) 지구·환경공학부 김인수 교수 연구팀이 전기분무 시간에 따라 분리막의 활성층(active layer) 두께를 조절함으로써 염색폐수처리에 특화된 나노여과(loose nanofiltration) 분리막을 개발했다. 분리막 활성층은 비대칭막의 조밀층으로서 막의 분리기능을 담당한다.

▲ 전기분무 계면중합법으로 제조되는 염색폐수처리 분리막. [사진제공 = GIST]

매년 장마철을 틈 타 공단에서 염색폐수를 무단 방류하는 사례가 사회적 문제로 떠오르고 있다. 최대 수천만 원까지 드는 정수 비용 부담이 가장 큰 이유다. 정수 과정을 거치지 않은 공단 폐수는 생물화학적산소요구량(BOD)과 화학적산소요구량(COD)이 기준치보다 높고, 중금속이 포함될 가능성이 커 수질에 악영향을 끼칠 것으로 우려된다.

따라서 적은 에너지를 이용해 염료폐수를 처리할 수 있는 분리막 제조 연구가 활발히 진행될만큼 폐수처리 비용을 최소화하기 위한 방법에 관심이 높아지고 있다. 기존의 나노여과 분리막은 염료와 무기염을 동시에 제거하기 때문에 무기염의 재활용이 불가능할 뿐만 아니라 삼투압을 높여 결국 운전 에너지 소비를 증가시키는 단점이 있다.

김인수 교수 연구팀은 얇고 두께조절이 가능한 활성층 제조를 위해 나노미터(nm·10억 분의 1미터) 단위로 활성층 두께를 제어하는 전기분무(electrospray) 계면중합법(interfacial polymerization)을 활용했다. 전기분무는 고전압을 공급한 용액을 미세경 노즐로 토출시켜 나노사이즈로 분사하는 기술이다. 최적의 조건으로 제조된 수처리 분리막의 수투과도는 20.2 LMH/bar(시간당 분리막 면적당 투과량)다. 초고투과성을 갖춘 동시에 염료를 99% 이상 제거했으며 무기염의 투과율은 93%의 성능을 보였다.

분리막의 오염방지성능은 친수화도(hydrophilicity)와 표면 거칠기(surface roughness) 및 제타 전위(zeta potential)에 의해 결정된다. 친수화도는 물분자와 쉽게 결합되는 정도, 제타  전위는 입자 사이의 반발력이나 인력 크기에 대한 단위다. 전기분무 계면중합법으로 제조한 수처리 분리막은 기존 상용화 분리막보다 향상된 친수화도, 매끄러운 표면 및 낮은 제타 전위를 보여 오염 물질(foulant)이 분리막 표면에 쉽게 부착되지 못해 오염방지성능 지표인 수투과도 회수율이 30% 이상 향상되었다.

김인수 교수는 “이번 연구는 염료는 확실히 제거하고 고농도의 무기염은 회수함으로써 염색폐수 처리 비용 및 염색 비용을 절감할 수 있는 분리막을 개발하였다”면서 “향후 전자산업 폐수처리 및 유수분리 공정 등 수처리 시장에서 널리 적용되길 기대한다”고 말했다.

연구 성과는 재료과학분야 국제학술지인 『ACS Applied Materials & Interface(ACS AMI)』에 7월 22일자로 온라인 게재되었다.

[『워터저널』 2020년 9월호에 게재]